The effects of hull and propeller roughness and fouling on ship performance
Tekne ve pervane pürüzlenme ve kirlenmesinin gemi performansı üzerindeki etkileri
- Tez No: 39356
- Danışmanlar: PROF.DR. KEMAL KAFALI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1992
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 233
Özet
ÖZET TEKNE VE PERVANE PÜRÜZLENME VE KİRLENMESİNİN GEMİ PERFORMANSI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ Bu çalışma, bir geminin sakin sudaki sevk performansında tekne ve pervane pürüzlerime ve kirlenmesi ile ortaya çıkan azalmayı analitik olarak ortaya koyma amacım taşımaktadır. İnsanoğlunun denize ilk açıldığı tarihöncesi çağlardan beri bilinmekle birlikte bu performans düşmesinin nicel olarak belirlenmesi, ancak akışkan mekaniği biçimindeki son gelişmelerden sonra gerçekleştirilebilmiştir. Teknenin pürüzlenmesi, geminin karşılaştığı toplam viskoz direnci arttırır. Bununla birlikte, tekne pürüzlülüğün gemi sevk verimi üzerinde de etkisi bulunmaktadır: Tekne pürüzlülüğü nedeni ile artmış bir gemi izinde çalışmak zorunda olan pervane, aynı zamanda artan gemi direncini karşılamak üzere daha fazla itme gücü üretmek zorundadır. Bundan başka, çevresindeki su kütlesi içinde helisel bir hareketle ilerleyen pervanenin her bir kanadının yenmek zorunda olduğu direnç, pervane yüzeyinin pürüzlülüğü ile artış gösterir. Bu direnç artışı, geminin sevk sisteminin karşılamak zorunda olduğu tork'ta bir artış olarak veya, bir başka deyişle, geminin sevk veriminde bir düşüş olarak kendini gösterir. Bu nedenle hem pervane, hem tekne pürüzlülüğünün belirli bir sürrat için geminin sevk sisteminin karşılamak zorunda olduğu güçte bir artışa neden olmak veya sabit bir güce karşılık geminin sürratinde düşüş sağlamak gibi eşdeğer etkileri vardır. -XXVU-Tekne ve pervane sınır katmam parametrelerinin hesaplanması için türlü yöntemler ortaya konmuş bulunmaktadır. Bu yöntemlerden hareketle birçok araştırmacı, pürüzlülük ile direnç artışım hesaplamak üzere değişik yaklaşımlar ileri sürmektedir. Bu amaçla geliştirilmiş olan integral sınır katmanı hesaplama yöntemleri, gerek düzgün ve gerek pürüzlü yüzeyler için belirli bir olgunluk derecesine ulaşmış bulunmaktadır. Bununla birlikte hesaplamalarda daha fazla esneklik sağlayan ve daha aşın akış koşullarına uyum gösterebilen diferansiyel sınır katmam hesaplama yöntemlerinin yaygınlaşması, pürüzlülük etkilerini bu yöntemlere katmak için yeni bir yaklaşımı gerekli kılmaktadır. Bu nedenle, bu tezin özel amacına yönelik olarak böyle bir ilişki araştırılmıştır. Bu amaçla atılan ilk adım, oldukça karmaşık olan tekne ve pervane sınır katmanlarım için basitleştirilmiş modellerin geliştirilmesi olmuştur. Gemi viskoz direncinin modellenebilmesi için bir“eşdeğer dönel cisim”yaklaşımı önerilmiştir. Bu yaklaşım ile gemi, daha önceleri kabul edilen bir veya İM eşdeğer dönel cisim yerine, üç eşdeğer dönel cisim ile modellenmektedir: 1. Çevresindeki basınç dağılımımı yaklaşık olarak veren eşdeğer bir“en kesit alanı dönel cismi”, 2. En kesit alanı dağılımımı ve akış hatlarının yakınsama/ıraksaması nı yaklaşık olarak veren bir“ıslak çevre dönel cismi”, 3. Gemi en kesitinin ortalama eğriliğim veren bir“ortalama eğrilik dönel cismi”. Aynı şekilde, pervane veriminin klasik vorteks teorisi ile hesaplanan değerine bir düzeltme olarak bir“viskoz verim”kavramı teklif olunmakta ve yapılan enerji analizi ile, bu viskoz verimin pervane ilerleme katsayısına bağlı ve tekne/pervane karşılıklı etkileşim parametreleri ile yakın ilişkili olduğu ortaya anlaşılmaktadır (Denklem 3.8). Elde edilen bağıntı, düşük ilerleme katsayılarına sahip pervanelerin pervane pürüzlülüğünden daha fazla etkilenmekte olduklarım ortaya koymaktadır. -xxvni-Bundan sonraki adım ise, yüzey pürüzlülüğünün bu modeller üzerindeki etlerinin araştırılması olmuştur. Yüzey pürüzlülüğü etkilerinin diferansiyel bir sınır katmam hesaplama yöntemine katılabilmesi için en uygun yaklaşım olarak klasik bir teori olan Ludwig Prandti'ın“karışım uzunluğu”kavramı seçilmiştir. Böylece bu çalışmada, karışım uzunluğunun Colebrook ve White'in ortaya koymuş olduğu genel kurala uyum gösteren“mühendislik”pürüzlülüğü ile değişimi için bir açıklama getirilmiş ve bu değişimi açıklamak üzere Van Driest[47] ve Landweber- Poreh[48] yaklaşımlarma uygun analitik bağıntılar önerilmiştir: Tam pürüzlü yüzeylerde yüzey üzerinde sonlu bir karışım uzunluğunun bulunmakta olduğu ve geçiş pürüzlülüklerinde ise duvarın sönümleme etkisinin artan pürüzlülük ile azalma göstermekte olduğu varsayımları yapılmıştır. Ayrıca, mühendislikteki yaygın kullanımmdan dolayı“eşdeğer kum pürüzlülüğü”için de karışım uzunluğunun değişimini veren bağıntılar önerilmektedir. Dönel cisimler için karışım uzunluğunun Patel[49] tararından önerilen (4.25) bağıntısına göre değişim gösterdiği varsayımı yapılmıştır. Geliştirilen bu yöntem, karışım uzunluğu'nun doğrudan doğruya kullanıldığı bir diferansiyel hesaplama yöntemi olan Cebeci ve Smith sınır katmam hesaplama yöntemi[42],[43] ile bMeştirilmiştir. Söz konusu yöntem için hazırlanmış bulunan bilgisayar algoritması, bu araştırmanın özel amaçlan için üç değişik formda hazırlanmıştır: Tekne çevresindeki sınır katmanını modellemek amacı ile yazılmış üç parametreli eşdeğer dönel cisim formu (program YUNUS), herhangi bir yarıçaptaki pervane kanat kesitini modellemek amacı ile yazılmış iki boyutlu kanat profili formu (program KANAT) ve eşdeğer bir düz levha etrafındaki sınır katmam gelişimim hesaplamak amacı ile yazılmış bir düz levha formu (program YASSI). Bu tezde geliştirilmiş olan sınır katmam hesaplama yönteminin geçerliğini sınamak üzere elde edilen sayısal sonuçlar, literatürde bulunan model deneyleri ve tam boy gemilerin denizdeki sevk deneyimlerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak sınanmıştır. Gerek düz levha ve gerek tekne form biçimleri için elde edilen bu sonuçlar ile deneysel veriler arasındaki uyum, kabul edilebilir olarak değerlendirilmektedir. Bu amaçla (5.1),(5.2),(5..5) ve (5.18) yaklaşık bağıntıları önerilmektedir. Ayrıca, elde edilen sayısal sonuçların incelenmesi, sürtünme katsayısı üzerindeki -XSX-pürüzlülük etkilerinin daha önce Collatz[30] tarafından düz levha için bulunan bağıntı ile %1 mertebesinde uyum gösterdiğini ortaya koymuştur. Pratik performans hesaplamalarında kullanılmak üzere, pürüzlülük etkisi altodaki tekne ve pervane yüzeylerinin direnç değerlerinin hesaplanması ile ilgili olarak daha basit bir bağıntının aranması, yazan klasik bir yaklaşım olan“form faktörü”yaklaşımınından yararlanmaya itmiştir. Eşdeğer düz levha için elde edilen sonuca çarpımsal bir düzeltme faktörü olarak uygulanan form faktörünün, pratik Reynolds sayısı bölgesi (1 x 10 - 5 x 10 ) içinde eşdeğer dönel cisimler için sayısal değerlendirmesi, bu katsayının tekne yüzey pürüzlülüğü ve Reynolds sayısı değişimi ile göstermiş olduğu bağıl değişimin, sürtünme katsayısının aynı etkenler ile göstermiş olduğu bağıl değişimden iki ondalık derecesi mertebesinde daha az olduğunu ortaya koymuştur. Böylece tezin son bölümlerinde, gemi sevk performansının belirlenmesi amacı ile tekne viskoz direnç bileşeninin hesaplanması için sabit bir form faktörü yaklaşımı kullanılmıştır. Pervane kanadı direncinin minimum değerlerini hesaplamak için de benzer bir form faktörü yaklaşımı benimsenmiştir. Bu amaçla yapılan sayısal değerlendirmeler ve uygulanan birinci derece bir pertürbasyon yaklaşımı, kanat kesitinin minimum değerinin kanadın yaratmış olduğu kaldırma kuvvetinden bağımsız olarak kabul edilebileceğim ortaya koymaktadır: Bu değer, yalnızca kanadın kalınlık oram ile değişim göstermektedir. Tekne sınır katmanının tekne pürüzlülüğü ile göstermiş olduğu değişimin gemi izi üzerinde de bir etkisi bulunmaktadır: Bu amaçla daha önce Zborowski ve Nguyen tarafından geçtirilmiş olan eşdeğer düz levha yaklaşımının[73] yemden ele alınarak sayısal değerlendirmesi yapılmış ve gemi izinin viskoz bileşeni ve eşdeğer düz levhanın ortalama sürtünme katsayısı arasında doğrusal bir ilişki (5.15a) bulunmuştur. Bu doğrusal ilişkinin katsayıları ise, (gemi boyu/pervane çapı) oram ile yine doğrusal olarak değişmektedir (Denklem 5.15.b, 5.15.c). Gemi izinin viskoz bileşeninin ise, eşdeğer düz levhanın izinin form faktörü ( 1 + k ) katı kadar olduğu varsayılmaktadır. Diğer taraftan, teorik hesaplamalar ve deneysel bulgulara dayanarak tekne itme azalması katsayısının ve pervane bağıl dönme veriminin tekne pürüzlülüğünden bağımsız olduğu sonucuna varılmıştır. -XXX-Sınır katmanının kanat kesitinin ortaya çıkardığı kaldırma kuvveti üzerindeki etkisi, ampirik bir yaklaşım ile ele alınmış ve kanat kesitinin kaldırma kuvveti ile viskoz direnci arasında üstsel bir azalma bağıntısı bulunmuştur. Yukarıda varılan sonuçlar, bu amaçla yazılmış bir performans değerlendirme programı olan PERFORM adlı program ile birleştirilerek tekne ve pervane pürüzlülük veya“kabalık”(rugosity) değerlerindeki değişikliklerin gemi sevk performansında yaptığı değişiklikler sayısal olarak incelenmiştir. Tekne direnç karakteristikleri ve pervane özelliklerinin ana veriler olduğu bu program, pervaneyi eşdeğer yarıçapta incelemekte ve pervane hidrodinamik karakteristiklerini Burrill yöntemi[83] ile hesaplamaktadır. Sonuçta, tekne pürüzlülüğünün yalnızca teknenin yenmek zorunda olduğu direnci arttırmakla kalmayıp, pervane açıksu veriminde de bir düşme ortaya çıkardığı bulunmuştur. Diğer taraftan gemi izindeki artış, tekne veriminin artması sonucunu doğurmaktadır. Pervaneye iletilen makine gücündeki artış miktarının, yalnızca tekne direncindeki artışın gerektirdiği güç artışından daha fazla olduğu bulunmuştur. Bu ise, tekne pürüzlülüğünün net direnç artışı ile hesaplanandan daha fazla bir ekonomik önemi olduğunu vurgulamaktadır. Yapılan tekno-ekonomik bir analiz ise, gerek tekne, gerek pervane pürüzlülüğünün azaltılması yolunda yapılacak harcamaların çok kısa zaman sürelerinde kendini geri ödeyeceğini ortaya koymaktadır. Tekne ve pervane pürüzlülüğü hakkında bu güne kadar elde edilen bulgular ve yapılan istatistiksel tanımlamalar, EK-A bölümünde özetlenmiştir. Tekne yüzey pürüzlülüğünün ölçülebilir geometrik özelliklerini, bu tezde geliştirilmiş olan sınır katmam hesaplama yönteminde kullanabilmek için önerilmekte olan bir başka“kabalık tahmin yöntemi”ise EK-B'de yer almaktadır. Ayrıca, boyutlarının büyüklüğü nedeni ile farklı bir yaklaşım gerektiren tekne yapısal pürüzlülük elemanları ise EK-C'de incelenmiş olup, bunlardan kaynak dikişlerinin ve tekne levha dalgalanmalarının tekne direnci üzerindeki etkilerini incelemek için pratik yaklaşımlar teklif olunmaktadır. -XXXI-
Özet (Çeviri)
SUMMARY The roughening and fouling of the hull increases the total viscid drag of the ship. However, it also has an effect on the propulsive efficiency of the ship, since the propeller has to develop more thrust while working in a wake thickened by the effect of hull roughness. On the other hand, since the same screw has to work in a viscid environment with a helicoidal motion, the drag an individual element of the propeller blade experiences from the surrounding mass of water increases with propeller roughening. This drag increase is manifested as an increase in the torque demanded from the propulsion system of the ship, or, equivalently, as a drop on the propulsive efficiency of the ship. Therefore, both hull and propeller roughnesses act similarly to increase the propulsive power demanded from the engine, or in resulting a drop in the ship speed developed for a given value of propulsive power. This thesis was written to address those effects. The viscid drags of hull and propeller sections were computed by a differential method of analysis, Cebeci-Smith method modified for the specific purpose of the thesis[42],[43]. It was assumed that the mixing length is increased by the effects of roughness, which reduced the damping effect of the wall. Also, a performance prediction method was developed to integrate various effects of roughening. Numerical estimates for the effects of hull and propeller roughness were obtained to illustrate the viability of the method for techno-economic evaluations. The physical features of surface roughness were investigated in Appendices A-C, and a new method of roughness quantification for hull wass proposed. -XXVI-
Benzer Tezler
- Kavitasyon yöntemi ile karina temizliği ve etkileri
Underwater hull cleaning by using cavitation method and its effect
ONUR KOCATEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ CAN TAKİNACI
- A novel energy-saving device for ships- gate rudder system
Gemiler için yeni bir enerji tasarrufu sağlayıcı sistem- gate rudder sistemi
ZEYNEP TACAR İLTER
Doktora
İngilizce
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
- Tekne yüzey pürüzlülüğünün sınır tabaka ve gemi direncine etkisi
The effect of surface roughness on boundary layer and ship resistance
ONUR USTA
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
- Yatlarda kıç formunun pervane üzerine etkisi
Effects of the hull stern geometry to the propeller
MURAT BURAK ŞAMŞUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- Decarbonization pathways in maritime transportation: A techno-economic analysis of alternative marine fuels
Denizcilik taşımacılığında karbon salımının azaltılması yolları: Alternatif deniz yakıtlarının tekno-ekonomik analizi
EMİR EJDER
Doktora
İngilizce
2024
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU